石墨炔GRAPHDIYNE
向下探索 ↓
GRAPHDIYNE

石墨炔

碳原子以苯环为节点、二炔键为桥,
连成带有规则孔道的二维碳材料。

2010
首次合成报道
sp + sp²
两种碳的连接方式
18 元环
理想孔道单元
从这里开始 · 定义、发现与来源

由 sp² 苯环与 sp 二炔桥连成的二维碳材料。

2010 年,中国科学院化学研究所李玉良院士团队首次报道在铜箔上制得约 3.61 cm² 的连续石墨炔薄膜。此后,研究扩展到结构表征、催化、储能、光电、分离和柔性器件。

  • 2010 年的工作展示了通过化学偶联在铜箔上制备连续石墨炔薄膜的路线;《中国科学报》2024-03-28 将其表述为「结束了化学方法不能制备全碳材料的历史」。
  • 理论预测理想 γ-GDY 具有非零的直接带隙;实测值随样品与测量方法而变。
  • 已有六十多个国家和地区、五百多个团队开展石墨炔研究;2020 年,科睿唯安《研究前沿》把它列入化学与材料科学十大热点前沿,中国科学院化学研究所称其为榜单上唯一由中国开创的领域。
  • 来源:Chem. Commun. 2010, 46, 3256 · DOI 10.1039/B922733D;《中国科学报》2024-03-28;李玉良院士 2026 年学术报告

01 · 碳的 440 年

每一次新的排列,
都是一种新的碳

从 1564 年的石墨到 2004 年的石墨烯,四百四十年;2010 年起,故事由中国人续写

  1. 古代

    sp³

    金刚石 DIAMOND

    碳原子四面体相连,构成坚硬晶体。

    四面体键角 109.5°

  2. 英国

    sp²

    石墨 GRAPHITE

    层间范德华力较弱,碳层容易滑移。

    1564 · 英国博罗代尔石墨矿开采(石墨进入人类工艺)

    AB 堆叠 3.35 Å 层间距

  3. 美国 / 英国

    sp²

    富勒烯 C₆₀

    六十个碳原子围成一个球。

    12 个五边形 · 20 个六边形

  4. 日本

    sp²

    碳纳米管 NANOTUBE

    蜂窝碳层卷成中空的管。

    单壁扶手椅模型 (10,10);1991 年首次报道的是多壁管

  5. 英国

    sp²

    石墨烯 GRAPHENE

    只有一个原子厚的碳。

    单层蜂窝 1.42 Å 碳—碳键

  6. 中国

    sp + sp²

    两种杂化并存 · 中国

    石墨炔 GRAPHDIYNE

    苯环以二炔桥相连,留下规则三角孔。

    苯环 · 直线二炔桥 · 三角孔

碳的形态,沿时间展开。继续滚动 ↓

结构 · 从环,到桥,到孔道

六个 sp² 碳围成苯环,是石墨炔晶格的节点

六个碳原子组成一个环,再向六个方向连接。

–C≡C–C≡C– 二炔桥,四个 sp 碳一线排开

四个 sp 碳排成短桥,把相邻的苯环接起来。

每三个苯环,围出一个三角形的 18 元环孔道

规则的孔道,来自环与桥共同构成的理想 γ-GDY 拓扑。

sp²-C苯环节点
sp-C二炔桥
PORE18 元环孔道
结构怎样决定性质

石墨炔的骨架里,单键与叁键交替排列(形式键级 1–3–1–3–1)。sp 与 sp² 两种碳共存于同一套骨架——金刚石(sp³)、石墨与石墨烯(sp²)都没有这样的排列。李玉良院士的说法是:碳科学的发展不能只停留在对 sp² 碳的理解。

这样的排列带来三件事:表面电荷不均匀、二π键效应,以及多空洞空间限域与金属原子间的非整数电荷转移——正是它们改变了传统碳材料的性质。在理想 γ-GDY 结构里,苯环由二炔桥连接,计算与实验都给出非零带隙,具体数值随结构与测量方法而变(Carbon 2017 · DOI 10.1016/j.carbon.2017.07.037)。看铜箔合成的概念动画 ↗

原子 · 光子 · 激子 · 电子 · 声子 · 离子

石墨炔能同时调控这六种粒子的行为,这是它横跨催化、储能、光电与生命科学的原因。

和石墨烯有什么不同
和石墨烯有什么不同
对比项石墨烯(理想本征)石墨炔(理想 γ-GDY)
碳的杂化全部 sp²sp + sp² 共存
带隙理想本征下零带隙(半金属)理论预测非零直接带隙(半导体特性)
孔道理想拓扑中无孔理想拓扑含三角形 18 元环孔单元
表面电荷理想模型下均匀不均匀,能锚定单个金属原子
诞生2004 · 物理剥离(英国)2010 · 化学合成(中国)
两列都按理想模型对比;真实样品会因层数、形貌、缺陷与测量方法而不同(Carbon 2017 · DOI 10.1016/j.carbon.2017.07.037)
放进碳材料的历史中
碳材料的几个代表性节点
  1. 金刚石
  2. 石墨(英)
  3. 富勒烯(美/英)
  4. 碳纳米管(日)
  5. 石墨烯(英)
  6. 石墨炔(中国)

合成 · 2010

在铜箔上,
一个一个长出来

铜箔既是衬底,也是催化剂。六乙炔基苯落在它表面,末端的炔碳两两相接,长成约 3.61 cm² 的连续薄膜。

  1. 01反应物与基底

    单体落在铜箔上

    六乙炔基苯的苯环上连着六个乙炔基,末端炔碳参与偶联。铜箔既是衬底,也是催化剂。

  2. 0218 元环孔道

    二炔桥连成碳骨架

    末端炔碳两两偶联,接成 –C≡C–C≡C– 二炔桥。每三个苯环围出一个三角形的 18 元环孔道。

  3. 03二维单层

    孔道铺满一整片

    苯环通过二炔桥连接,构成带有规则孔道的二维单层。2010 年报道的是铜箔上的多层石墨炔薄膜。

  4. 04少层结构

    一层压着一层

    少层石墨炔由多层碳骨架堆叠而成。层间距在此放大,以便观察。

  5. 05薄膜形态

    起伏里显出层次

    真实薄膜中,各层的相对位置存在差异,局部起伏也很常见。层间差异与起伏在此放大,以便分辨。

理想 γ-GDY 结构示意;层数、层距与起伏为便于观察而设。

理想 γ-GDY 结构示意;层数、层距与起伏为便于观察而设。

Li et al. Chem. Commun. 2010, 46, 3256 · DOI 10.1039/B922733D

全屏自由浏览 按住拖动,环视这片薄膜

发展历程 · 1987—2025

石墨炔的发展

三十八年,十二个节点:从纸上预言到铜箔薄膜,再到今天的应用。

沿着碳链向前,阅读每一次进展。

2026 · 现在走到哪

2026 年,Advanced Materials 发表综述《新兴电化学能量转换材料:石墨炔》,系统梳理了它在能量转换中的进展。大面积一致性、缺陷控制与器件放大,是这个领域正在回答的问题。

Adv. Mater. 2026 · DOI 10.1002/adma.202600027

阅读完整时间线
  1. 预言

    1987 年,Baughman 等人在计算中预言了一类同时含 sp 与 sp² 碳的平面碳材料——石墨炔第一次以「假想」出现。此后二十多年,它一直停留在理论里。

    Baughman, Eckhardt, Kertesz. J. Chem. Phys. 1987, 87, 6687 · DOI 10.1063/1.453405
  2. 缘起

    1998 年,李玉良院士决定不再跟在别人后面,做一种中国人自己的碳材料。此后十多年里传统方法一次次失败——他后来说,科研中没有「失败」,只有探索和教训。

    《中国科学报》2024-03-28《十年耕耘,做中国人自己的碳材料》 原文 ↗
  3. 首次合成

    以铜箔为衬底和催化剂,六乙炔基苯在其表面偶联,长出约 3.61 cm² 的连续薄膜——石墨炔第一次被真正做出来,并以汉语命名。它是碳家族里第一种用化学合成方法得到的全碳材料。

    Li et al. Chem. Commun. 2010, 46, 3256 · DOI 10.1039/B922733D
  4. 理论成熟

    理论工作陆续给出石墨炔的电子结构:GW/BSE 计算得到带隙与强激子并与吸收光谱对照,另有计算预测它有较高的电子迁移率。石墨炔作为半导体材料的理论基础由此确立。

    Phys. Rev. B 2011, 84, 075439 · DOI 10.1103/PhysRevB.84.075439;ACS Nano 2011 · DOI 10.1021/nn102472s
  5. 层数可控

    石墨炔的层数与形貌开始可以控制,物性表征表明它是带隙随层数变化的半导体。

    李玉良院士 2026 年学术报告
  6. 进入电池

    多层石墨炔第一次被用作锂离子电池负极,完成了容量与循环测试。石墨炔的储能研究由此展开。

    Nano Energy 2015, 11, 481 · DOI 10.1016/j.nanoen.2014.11.036
  7. 锚定零价原子

    「二π键」理论指出:炔键能稳稳抓住单个零价金属原子。Ni⁰/GDY 与 Fe⁰/GDY 相继做出并用于析氢——单原子催化的大门由此打开。

    Nat. Commun. 2018, 9, 1460 · DOI 10.1038/s41467-018-03896-4
  8. 炔–烯互变

    炔键与烯键之间的可逆转换被用来驱动整片碳膜弯曲,做成了电化学致动器——把化学键的变化放大成看得见的运动。后来的石墨炔人造肌肉沿着这条路走来。

    Nat. Commun. 2018, 9, 752 · DOI 10.1038/s41467-018-03095-1
  9. 常温常压制氨

    Mo⁰/GDY 在常温常压下电催化合成氨,建立起石墨炔基原子催化体系。2021 年,Pd⁰/GDY 把氨产率做到 4.45 mg(NH₃) mgPd⁻¹ h⁻¹、选择性 100%。

    J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 10677 · DOI 10.1021/jacs.9b03004;Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa213 · DOI 10.1093/nsr/nwaa213
  10. 大电流制氢

    Rh/GDY 在碱性模拟海水中以 65 mV 过电位实现 1000 mA cm⁻² 的大电流析氢;2024 年,单原子层 Os/GDY 把这一数字降到 56 mV。

    Nat. Commun. 2022, 13, 5227 · DOI 10.1038/s41467-022-32937-2;J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 10573 · DOI 10.1021/jacs.4c00027
  11. 新概念电池

    「炔–烯互变」改写了储能机制:6C 倍率快充的锂离子电池、能感知光与湿度的固态镁–水汽电池、直接用太阳能充电的锌–空气电池先后做了出来。

    Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202113313 · DOI 10.1002/anie.202113313;J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 2759 · DOI 10.1021/jacs.2c11409;PNAS 2024, 121, e2318777121 · DOI 10.1073/pnas.2318777121
  12. 闪速合成

    电子束辐照实现了石墨炔的高产率直接合成——一种全新的非平衡态制备方法。从 1998 年到 2025 年,做出石墨炔的路一直在变短。

    Adv. Mater. 2025, 37, 2506979 · DOI 10.1002/adma.202506979
发现者与团队

李玉良院士与化学所团队

2010 年,他们在铜箔上长出第一片石墨炔;如今,这种碳走进了六十多个国家的实验室。
一群人,近三十年,把一个设想做成一个领域。

李玉良院士在实验室指导学生

李玉良院士在实验室指导学生 · 中国科学报 2024 报道来源 ↗

围绕结构、合成与应用的问题,研究从这里持续向更广的领域展开。

阅读首次合成论文
  1. 国家自然科学二等奖
  2. 国家自然科学二等奖
  3. 国家自然科学二等奖
  4. 中国科学院院士
  5. 首届全国创新争先奖
  6. 何梁何利科学与技术进步奖
  7. 中国科学院杰出科技成就奖
  1. 「973」项目首席科学家
  2. 北京市科学技术奖一等奖 ×2
  3. 中国科学院自然科学二等奖

荣誉、任职与获奖年份据中国科学院化学研究所「李玉良院士简介」(2023-07-25)↗

著作

  1. 《石墨炔:从发现到应用》

    李玉良院士、李勇军 著 · 科学出版社 2018 ·「低维材料与器件丛书」(成会明 主编)

    ISBN 9787030575258 · 全书简介 ↗

  2. Graphdiyne: Fundamentals and Applications in Renewable Energy and Electronics

    Yuliang Li 主编 · Wiley-VCH 2022

    ISBN 9783527347872 · DOI 10.1002/9783527828470

代表性研究 · 14 篇论文
  1. Chem. Commun. 2010铜箔上约 3.61 cm² 连续石墨炔薄膜DOI
  2. Nano Energy 2015多层石墨炔进入锂离子电池负极DOI
  3. Adv. Energy Mater. 2015石墨炔加快钙钛矿电池空穴提取DOI
  4. Adv. Mater. 2016GD:ZnO 紫外探测器DOI
  5. Nano Res. 2018电镜看见 2.19 nm 六层 ABC 堆垛DOI
  6. Nat. Commun. 2018离子驱动的可逆致动器DOI
  7. Nat. Commun. 2018零价 Ni/Fe 单原子锚定与析氢DOI
  8. Chem. Rev. 2018二维石墨炔基材料研究进展综述DOI
  9. J. Am. Chem. Soc. 2019Mo⁰/GDY 制氨与析氢DOI
  10. J. Am. Chem. Soc. 2024一组 π 电子参与可逆 Li–C 耦合DOI
  11. Adv. Mater. 2025电子束辐照「闪速」合成DOI
  12. Nat. Commun. 2022Rh/GDY 碱性模拟海水析氢:65 mV @ 1000 mA cm⁻²(13, 5227)DOI
  13. Chem. Soc. Rev. 2022综述《2D graphdiyne: an emerging carbon material》(51, 2681)DOI
  14. Adv. Mater. 2026综述《新兴电化学能量转换材料:石墨炔》DOI
研究 · 从结构到可能

六个研究方向

从原子的反应,到器件的响应。

在石墨炔上,这六件事分别是怎么发生的

01分散的钯原子与邻近炔碳相互作用,形成催化活性位点。

02在 GDY 负极中,锂离子穿孔后进入层间;充电时嵌入,放电时返回。

03丙酮进入后,局部炔–烯键转换与膜两面的不对称响应使碳膜向一侧弯曲;丙酮离开后回直。

04在 SWNT@GDY 器件中,光响应与局部存储相结合。

05多层膜的贯穿孔让氢、氦等轻气体通过;氙等重气体在孔壁吸附,流量受到抑制。

06氧化石墨炔表面的含氧基团参与界面作用,可与特定蛋白相互作用。

01

原子制造与催化

如何让原子成为反应的活性位点?

分散的钯原子与邻近炔碳相互作用,形成催化活性位点。

单原子与复合催化剂
研究结果与原文

Pd⁰/GDY · 单原子体系

Pd⁰/GDY 在中性介质中常温常压电催化制氨,产率 4.45 mg(NH₃) mgPd⁻¹ h⁻¹、选择性 100%。

National Science Review 2021 ↗

RuOₓ/GDY · 纳米颗粒复合体系

RuOₓ/GDY 阳极的 PEM 电解槽在 1.47 V 下达到 1000 mA cm⁻²,论文估算制氢成本约 0.78 美元/kg。

National Science Review 2025 ↗

沿同一条思路,Ni、Fe、Mo、Pd、Os、Cu、Ru、Er、Ir 的零价原子体系相继做了出来。

02

储能

石墨炔怎样参与能量的存与取?

在 GDY 负极中,锂离子穿孔后进入层间;充电时嵌入,放电时返回。

GDY 电极与 N-GDY 衍生物
研究结果与原文

GDY 电极 · 快充与循环

石墨炔锂离子电池负极在 6C 快充下循环 22 000 圈仍在工作(1C = 744 mA g⁻¹)。

Angewandte Chemie 2022 ↗

N-GDY · 太阳能直充锌–空气电池

氮取代石墨炔(N-GDY)做成可直接用太阳能充电的锌–空气电池,电能效率 90.4%。

PNAS 2024 ↗

围绕炔–烯互变的储能机制,已有十余种电池体系被做了出来。

03

智能形变与人造肌肉

分子结构的变化,能否变成可见的运动?

丙酮进入后,局部炔–烯键转换与膜两面的不对称响应使碳膜向一侧弯曲;丙酮离开后回直。

GDY 膜与 HsGDY 衍生物
研究结果与原文

GDY 碳膜 · 可逆形变

研究利用炔–烯键转换驱动整片碳膜发生可逆形变。

Science Advances 2023 ↗

HsGDY-M · 人造肌肉

氢取代衍生物 HsGDY-M 被用于连续形变的人造肌肉和机械臂演示。

National Science Review 2025(2024 在线) ↗
04

传感与器件

让光、电与离子的响应,成为器件功能。

在 SWNT@GDY 器件中,光响应与局部存储相结合。

复合异质结与 GDYO
研究结果与原文

SWNT@GDY · 神经形态机器视觉

核–壳纳米管器件把光响应与局部存储结合,用于神经形态机器视觉研究。

Science Advances 2023 ↗

GDYO · 非易失存储器

氧化石墨炔(GDYO)在异质结中充当阈值开关层,器件写入脉冲 20 ns、工作电压 2 V。

Nature Communications 2022 ↗
05

分离与净化

让不同分子,通过不同的路径。

多层膜的贯穿孔让氢、氦等轻气体通过;氙等重气体在孔壁吸附,流量受到抑制。

GDY 基膜 · 膜实验
研究结果与原文

GDY@PCHF · 真空膜蒸馏

石墨炔基膜做真空膜蒸馏,3.5 wt% 盐水的 NaCl 截留率超过 99.9%,水通量约 700 L m⁻² h⁻¹。

Nature Water 2023 ↗

多层 GDY 基膜 · 气体渗透

多层石墨炔基膜中的贯穿纳米孔支持氢、氦等轻气体的 Knudsen 输运;重气体在孔壁吸附,部分阻塞气流。

Nature Communications 2022 ↗
06

生命科学

碳材料能怎样参与生物体系中的研究?

氧化石墨炔表面的含氧基团参与界面作用,可与特定蛋白相互作用。

复合物与氧化衍生物 · 临床前研究
研究结果与原文

GDY–CeO₂ · 纳米酶复合物

石墨炔–氧化铈(GDY–CeO₂)复合物递送 microRNA 并改善肿瘤缺氧,用于增效食管癌放疗。

Advanced Materials 2021 ↗

GDYO · DNMT3A 突变 AML

氧化石墨炔(GDYO)对 DNMT3A 突变的急性髓系白血病表现出选择性抑制,结果来自细胞与小鼠模型。

Nature Communications 2022 ↗

两项都是临床前研究。

这个领域有多大 · 团队与发文趋势
TEAMS500+ 团队
COUNTRIES60+ 国家与地区
RESEARCH FRONTS 2020Top 10 热点前沿
数据:国家科技图书文献中心(2024);科睿唯安《2020 研究前沿》
年发文量 · 2020–2025
350480530565590745 202020212022202320242025*
* 2025 年数据截至当年检索日,非全年 · 来源 Web of Science
世界 · 从北京出发

石墨炔,如何走向世界

2010 年,石墨炔在北京的铜箔上首次被合成,并以汉语命名。此后十多年,研究从这里一路铺开。

60+国家与地区500+团队

  • 韩国成均馆大学
  • 日本东京大学
  • 新加坡新加坡国立大学
  • 俄罗斯
  • 德国马普研究所
  • 英国曼彻斯特大学
  • 意大利
  • 西班牙
  • 加拿大
  • 美国MIT、斯坦福

数据:国家科技图书文献中心(2024)

影响 · 观点与文献

一项研究的广泛影响

Nature Materials评论文章《The era of carbon allotropes》讨论了新型碳同素异形体的研究
科睿唯安《研究前沿》石墨炔入选化学与材料科学十大热点前沿,也是榜单上唯一由中国开创的研究领域
Nature Research Custom《Exciting new carbon material offers hope for a greener world》
李玉良院士石墨炔的成功合成改变了科学家对碳材料的理解,推动了碳科学技术的发展与进步
谁在做 · 未来的判断
谁在做
  • Andre Geim曼彻斯特
  • Kostya Novoselov新加坡国立
  • Hiroshi Nishihara东京
  • Klaus Müllen马普
  • Markus BuehlerMIT
  • 崔屹斯坦福

未来 5–10 年,石墨炔及相关材料将引领若干研究领域的发展和进步。
——李玉良院士 2026 年学术报告

现场 · 从模型回到真实

在实验室里,它是什么样子

图片来自公开报道,机构与原链接见每张卡片

石墨炔的高分辨电镜图像,上面叠加了黄色的苯环与二炔桥结构模型,右下角标尺 1 纳米
2024.03 · 中国科学报
高分辨电镜下的石墨炔
图上黄色为叠加的结构模型,标尺 1 nm · 图:中国科学报《十年耕耘,做中国人自己的碳材料》(新浪财经转载)原文 ↗
贴着中国科学院化学研究所标签的 500 毫升试剂瓶,里面装着黑色的石墨炔粉末
2024.03 · 中国科学报
试剂瓶里的石墨炔粉末
化学所试剂瓶中的黑色粉末样品 · 图:中国科学报(新浪财经转载)原文 ↗
不锈钢架上的玻璃反应装置,可见反应容器、冷凝管和收集瓶
2024.03 · 中国科学报
宏量合成装置
用于放大制备的玻璃反应装置 · 图:中国科学报(新浪财经转载)原文 ↗
多层石墨炔在金色衬底上层层堆叠的三维结构示意图,蓝色球棍代表碳骨架
2024.03 · 中国科学报
多层结构示意
多层石墨炔的堆叠结构示意图 · 图:中国科学报(新浪财经转载)原文 ↗
李玉良院士站在中国科学院化学研究所讲台后,抬手向听众讲解
2024.03 · 中国科学院大学
院士大讲堂:二维碳石墨炔进展概述
第 86 期院士大讲堂,化学所 219 会议室 · 图:中国科学院大学(国家纳米科学中心转载)原文 ↗
李玉良院士在学术研讨会讲台上作报告,身后幻灯片是从金刚石、石墨到 2010 年石墨炔的碳材料年表
2024.08 · 河西学院
幻灯片上的碳材料年表
张掖,卟啉酞菁学术研讨会报告《二维石墨炔:新兴能源与催化材料》 · 图:河西学院原文 ↗
写在最后

探索,还在继续。

石墨炔的故事,始于对原创碳材料的长期探索,也由许多研究者共同推进。谨向恩师李玉良院士、最初的合成团队,以及所有参与这一领域的研究者致意。

恩师李玉良院士,教师节快乐。

2026 年 9 月 · 北京